本发明专利技术公开了一种基于调制岛结构的垂直型场效应晶体管及其制作方法，主要解决了现有的氮化镓基功率器件不具备良好双向导通特性，导致其所用电路成本上升，性能下降的问题。其自下而上包括：漏极、衬底层、漂移层、N型GaN沟道层、顶层金属和钝化层，该N型GaN沟道层的两侧分别设有第一P型GaN层和第二P型GaN层，第一P型GaN层被凹槽均匀分割为n块形成调制岛结构，漂移层、N型GaN沟道层和第一P型GaN层上设有调制块金属，第二P型GaN层上设有栅极和栅场板，整个器件的四围设有MESA隔离槽。本发明专利技术降低了反向导通开启压降、增大了导通电流，其阻断时泄露电小耐压高，具有良好的双向导通特性，可作为功率开关器件。可作为功率开关器件。可作为功率开关器件。
【技术实现步骤摘要】
基于调制岛结构的垂直型场效应晶体管及其制作方法
[0001]本专利技术属于微电子
，特别涉及一种基于调制岛结构的垂直型场效应晶体管，可作为电力电子系统的基本器件。
技术背景
[0002]当前，环境污染和能源短缺问题已经成为制约人类社会可持续发展的全球性问题，为此我国作为负责任的大国率先在国际上提出了“碳达峰，碳中和”战略目标，并以此实施积极有效的措施，而研发高性能低损耗功率半导体器件以构建高性能低损耗功率开关电源，是解决上述问题，助力我国实现“碳达峰，碳中和”战略目标的重要途径之一。基于GaN宽禁带半导体材料功率半导体器件，尤其是结型场效应晶体管(也是一种垂直型场效应晶体管)，以其高击穿电压、低导通电阻、优异高温特性等优点，在实现高性能低损耗功率开关电源方面具有非常重要的优势，因此在国民经济和军事领域具有广阔的应用前景。
[0003]传统结型垂直场效应晶体管是基于同质外延结构，其包括：衬底层1、漂移层2、N型GaN沟道层3、P型GaN层4、源极5、漏极6、栅极7；衬底层1上淀积有漂移层2；漂移层2上部中间部分设置有N型GaN沟道层3；漂移层2的上部，N型GaN沟道层3的左、右两侧分别淀积有P型GaN层4；N型GaN沟道层3上淀积有源极5；左、右两侧的P型GaN层4上部分别淀积有栅极7；衬底层1下部淀积有漏极6，如图1所示。
[0004]在目前绝大部分的功率开关电源中，需要功率半导体器件可以实现正向导通和反向导通的双向导通特性，即在正向导通时，当栅极与源极之间施加大于阈值电压的偏置电压后，器件中形成导电沟道，漏极施加大于源极的偏置电压后，可形成由漏极流向源极的电流；在反向导通时，当栅极与源极之间施加的偏置电压为零伏或小于阈值电压时，器件关断，漏极施加小于源极的偏置电压后，可形成由源极流向漏极的电流。然而，在传统结型垂直场效应晶体管中，器件可实现良好的正向导通特性，即电流从漏极流向源极，参见GaN Vertical
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Channel Junction Field
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Effect Transistors With Regrown p
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GaN by MOCVD，IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.67,NO.10,OCTOBER 2020。当传统结型垂直场效应晶体管的栅极与源极之间施加的偏置电压为零伏或小于阈值电压时，器件处于关断状态，由于器件沟道关断，要使源极与漏极之间导通，即电流从源极流向漏极，需要克服较大的开启压降，退化反向导通特性，且导致较大功率损耗。因此，为了满足功率开关电源的实际需要，通常需要在传统结型垂直场效应晶体管的外部并联一个开启压降小的续流二极管以实现反向导通特性。这会产生较大的寄生电感和电容，进而导致功率开关电源存在体积大、重量大和效率低的问题。因此，研发具有优异双向导通特性、阻断特性的高集成垂直场效应晶体管是当前高性能功率电子系统的急需。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于调制岛结构的垂直型场效应晶体管及其制作方法，以提高器件的正向导通和反向导通特性、阻断特性，功率特性
和可靠性，并在不增加系统体积，重量的形况下，提升其所应用的电力电子系统效率和性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]1.一种基于调制岛结构的垂直型场效应晶体管，自下而上包括：漏极、衬底层、漂移层和钝化层，漂移层上设有N型GaN沟道层，该N型GaN沟道层的两侧分别设有第一P型GaN层和第二P型GaN层，该N型GaN沟道层上设有顶层金属，该N型GaN沟道层、第一P型GaN层和第二P型GaN层的四围设有MESA隔离槽，第二P型GaN层上设有栅极，该栅极和钝化层与上设有栅场板，其特征在于：
[0008]所述的漂移层、N型GaN沟道层与第一P型GaN层之上覆盖有调制块金属，且其分别与漂移层和N型GaN沟道层形成肖特基接触。以在关断状态下，通过调制块金属施加大于漏极的偏置电压产生由调制块金属流向漏极的反向电流，实现反向导通特性；
[0009]所述的顶层金属与调制块金属共同组成器件的源极；
[0010]所述的第一P型GaN层被n
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1个凹槽分割成n块，均匀分布在漂移层之上，形成调制岛结构，以暴露出漂移层和N型GaN沟道层，便于调制块金属分别与漂移层、N型GaN沟道层接触，提高器件在阻断情况下的耐压，减少泄漏电流，其中n为大于1的正整数。
[0011]进一步，所述的衬底层，采用采用氮化镓、硅、金刚石或碳化硅材料中的任意一种。
[0012]进一步，所述漂移层的厚度a为1μm～20μm，所述N型GaN沟道层、第一P型GaN层和第二P型GaN层的厚度b相同且均为5nm～3μm；所述N型GaN沟道层的宽度c为5nm～3μm。
[0013]进一步，所述每个第一P型GaN层的宽度d均为5nm～10μm；所述每个凹槽的宽度d均为5nm～10μm。
[0014]进一步，所述顶层金属的右边缘与第二P型GaN层的左边缘的距离e>0μm；所述栅极的左边缘与第二P型GaN层的左边缘的距离f>0μm。
[0015]进一步，所述的栅场板设于栅极与钝化层之上，所述栅场板的左边缘与第二P型GaN层左边缘的距离g>0μm；且栅场板分别与顶层金属和调制块金属之间隔有钝化层。
[0016]2.一种基于调制岛结构的垂直型场效应晶体管制作方法，其特征在于，包括如下：
[0017]A)在衬底层上使用外延工艺外延GaN基宽禁带半导体材料，形成漂移层；
[0018]B)在漂移层上第一次制作掩膜，利用该掩膜对漂移层进行刻蚀，形成一个厚度为b，宽度为c的N型GaN沟道层；
[0019]C)在漂移层上，围绕N型GaN沟道层，使用选择性外延工艺外延P型GaN基宽禁带半导体材料，外延高度为b，使得P型GaN与N型GaN沟道层上表面平齐，形成第一P型GaN层和第二P型GaN层；
[0020]D)在器件表面第二次制作掩膜，利用该掩膜对N型GaN沟道层、第一P型GaN层和第二P型GaN层进行深槽刻蚀至漂移层，形成MESA隔离槽；
[0021]E)在器件表面第三次制作掩膜，利用该掩膜对第一P型GaN层进行刻蚀凹槽，刻蚀至漂移层止，形成调制岛结构；
[0022]F)在器件表面第四次制作掩膜，利用该掩膜在N型GaN沟道层上淀积金属，并进行快速热退火，完成顶层金属的制作，且其右边缘与第二P型GaN层的左边缘的距离e>0μm，并且其与N型GaN沟道层形成良好的欧姆接触；
[0023]G)在衬底层底部淀积金属，并进行快速热退火，形成良好的欧姆接触，完成漏极的
制作；
[0024]H)在器件表面第五次制作掩膜，利用该掩膜在第二P型GaN层上淀积金属，并进行热退火，完成栅极的制作，且其左边缘与第二P型Ga本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于调制岛结构的垂直型场效应晶体管，自下而上包括：漏极(7)、衬底层(1)、漂移层(2)和钝化层(11)，漂移层(2)上设有N型GaN沟道层(3)，该N型GaN沟道层(3)的两侧分别设有第一P型GaN层(4)和第二P型GaN层(5)，该N型GaN沟道层(3)上设有顶层金属(6)，该N型GaN沟道层(3)、第一P型GaN层(4)和第二P型GaN层(5)的四围设有MESA隔离槽(10)，第二P型GaN层(5)上设有栅极(8)，该栅极(8)和钝化层(11)与上设有栅场板(12)，其特征在于：所述的漂移层(2)、N型GaN沟道层(3)与第一P型GaN层(4)之上覆盖有调制块金属(9)，且其分别与漂移层(2)和N型GaN沟道层(3)形成肖特基接触。以在关断状态下，通过调制块金属(9)施加大于漏极(7)的偏置电压产生由调制块金属(9)流向漏极(7)的反向电流，实现反向导通特性；所述的顶层金属(6)与调制块金属(9)共同组成器件的源极；所述的第一P型GaN层(4)被n
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1个凹槽(13)分割成n块，均匀分布在漂移层(2)之上，形成调制岛结构，以暴露出漂移层(2)和N型GaN沟道层(3)，便于调制块金属(9)分别与漂移层(2)、N型GaN沟道层(3)接触，提高器件在阻断情况下的耐压，减少泄漏电流，其中n为大于1的正整数。2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述的衬底层(1)，采用氮化镓、硅、金刚石或碳化硅材料中的任意一种。3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述漂移层(2)的厚度a为1μm～20μm；所述N型GaN沟道层(3)、第一P型GaN层(4)和第二P型GaN层(5)的厚度b相同且均为5nm～3μm；所述N型GaN沟道层(3)的宽度c为5nm～3μm。4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述每个第一P型GaN层(4)的宽度d均为5nm～10μm；所述每个凹槽(13)的宽度d均为5nm～10μm。5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述顶层金属(6)的右边缘与第二P型GaN层(5)的左边缘的距离e>0μm；所述栅极(8)的左边缘与第二P型GaN层(5)的左边缘的距离f>0μm。6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述栅场板(12)的左边缘与第二P型GaN层(5)左边缘的距离g>0μm，且栅场板(12)分别与顶层金属(6)和调制块金属(9)之间隔有钝化层(11)。7.一种基于调制岛结构的垂直型场效应晶体管制作方法，其特征在于，包括如下：A)在衬底层(1)上使用外...
【专利技术属性】
技术研发人员：毛维，谢渊源，杨翠，张雅超，杜鸣，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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